JP5249289B2

JP5249289B2 - Rotational position sensor

Info

Publication number: JP5249289B2
Application number: JP2010155882A
Authority: JP
Inventors: 祐一真鍋; 鉄治井上
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: JP2012018086A

Description

この発明は、ロータ平板とステータ平板が対向して設けられ、前記ロータ平板の回転動作変位を検出する電磁誘導式の回転位置センサに関する。 The present invention relates to an electromagnetic induction type rotational position sensor in which a rotor flat plate and a stator flat plate are provided facing each other and detects a rotational movement displacement of the rotor flat plate.

従来、この種の技術として、各分野で広く用いられている回転位置センサが挙げられる。自動車用エンジンでは、その回転速度や回転位相を検出するために、回転位置センサの一つであるクランク角センサが使われている。この種のクランク角センサとして、下記の特許文献１にその一例が記載されている。
クランク角センサの代表的なものとして、マグネチックピックアップを用いたものが知れている。その代表的な使われ方は、回転軸に設けられたギア状の磁性材に対向して磁石とコイルで構成されたマグネチックピックアップを置き、このピックアップと磁性材との空隙距離が変化することでマグネチックピックアップから電圧波形を出力するようになっている。この方式の問題点は、マグネチックピックアップの先端の磁束の先鋭化に限界があり、ギア状磁性材の歯数を増やすことにも限界があって、角度分解能が制限されることであった。 Conventionally, as this type of technology, there is a rotational position sensor widely used in each field. In an automobile engine, a crank angle sensor, which is one of rotational position sensors, is used to detect the rotational speed and rotational phase. An example of this type of crank angle sensor is described in Patent Document 1 below.
As a typical crank angle sensor, a sensor using a magnetic pickup is known. The typical usage is that a magnetic pickup composed of a magnet and a coil is placed opposite the gear-shaped magnetic material provided on the rotating shaft, and the gap distance between this pickup and the magnetic material changes. The voltage waveform is output from the magnetic pickup. The problem with this method is that there is a limit to sharpening the magnetic flux at the tip of the magnetic pickup, and there is a limit to increasing the number of teeth of the gear-like magnetic material, which limits the angular resolution.

一方近年、クランク角センサにおいては、排ガス規制等の環境問題に対応する必要から、クランク角によりエンジンを高い精度で制御することが望まれている。そのため、クランク角の相対的な位置のみならず、絶対的な基準位置（Ｚ相信号）を検出するが望まれている。
特許文献２には、基準位置（Ｚ相信号）を検出するために、励磁コイルと検出コイルの内側に指標パターンを設けることが記載されている。 On the other hand, in recent years, in a crank angle sensor, since it is necessary to cope with environmental problems such as exhaust gas regulations, it is desired to control the engine with high accuracy by the crank angle. Therefore, it is desired to detect not only the relative position of the crank angle but also the absolute reference position (Z-phase signal).
Patent Document 2 describes that an index pattern is provided inside an excitation coil and a detection coil in order to detect a reference position (Z-phase signal).

特開２００１−０４１０９２号公報JP 2001-041092 A 特開平０４−２７６５１７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-276517

しかしながら、特許文献２の技術では、基準位置（Ｚ相信号）を検出することはできるが、内側に指標パターンを設ける必要があるため、励磁コイルや検出コイルを小さくすることができず、全体としてクランク角センサを小型化できない問題があった。 However, in the technique of Patent Document 2, the reference position (Z-phase signal) can be detected, but since it is necessary to provide an index pattern on the inside, the excitation coil and the detection coil cannot be reduced, and as a whole There was a problem that the crank angle sensor could not be miniaturized.

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、基準位置（Ｚ相信号）を検出することができると同時に、小型化した回転位置センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a rotational position sensor that can detect a reference position (Z-phase signal) and is downsized.

上記目的を達成するために、本発明の回転位置センサは、次のような構成を有している。
（１）ロータ平板とステータ平板が対向して設けられ、前記ロータ平板の回転動作変位を検出する電磁誘導式の回転位置センサにおいて、ロータ平板の外周部につづら折り状の励磁コイルが形成され、内周部にロータ側ロータリィトランスが形成されていること、ステータ平板の外周部に、つづら折り状の検出コイルが形成され、内周部にステータ側ロータリィトランスが形成されていること、励磁コイルのつづら折りパターンが、欠歯部を有すること、検出コイルの一部に切欠き部を形成し、切欠き部に基準信号検出コイルを設けていること、ステータ側ロータリィトランス及び前記ロータ側ロータリィトランスを介して、前記励磁コイルに高周波信号を励磁する高周波励磁回路を有すること、を特徴とする。 In order to achieve the above object, the rotational position sensor of the present invention has the following configuration.
(1) In an electromagnetic induction type rotational position sensor in which a rotor flat plate and a stator flat plate are provided to face each other and detect a rotational movement displacement of the rotor flat plate, a folded exciting coil is formed on the outer periphery of the rotor flat plate, The rotor-side rotary transformer is formed on the periphery, the zigzag detection coil is formed on the outer periphery of the stator plate, the stator-side rotary transformer is formed on the inner periphery, and the excitation coil The zigzag folding pattern has a toothless part, a notch part is formed in a part of the detection coil, a reference signal detection coil is provided in the notch part, the stator-side rotary transformer and the rotor-side rotary transformer And a high-frequency excitation circuit for exciting a high-frequency signal to the excitation coil.

（２）（１）に記載する回転位置センサにおいて、前記欠歯部は、前記つづら折りパターンの１周期分であること、前記基準信号検出コイルが、前記つづら折りパターンの半周期分であること、を特徴とする。
（３）（１）または（２）に記載する回転位置センサにおいて、前記基準信号検出コイルが、渦巻き状パターンを有していること、を特徴とする。
（４）（１）乃至（３）に記載する回転位置センサのいずれか１つにおいて、前記高周波信号が、５００ｋＨｚ以上であること、を特徴とする。 (2) In the rotational position sensor described in (1), the missing tooth portion is for one cycle of the zigzag folding pattern, and the reference signal detection coil is for a half cycle of the zigzag folding pattern. Features.
(3) In the rotational position sensor described in (1) or (2), the reference signal detection coil has a spiral pattern.
(4) In any one of the rotational position sensors described in (1) to (3), the high-frequency signal is 500 kHz or more.

上記構成を有する回転位置センサは、次のように、作用及び効果を奏する。
（１）ロータ平板とステータ平板が対向して設けられ、ロータ平板の回転動作変位を検出する電磁誘導式の回転位置センサにおいて、ロータ平板の外周部につづら折り状の励磁コイルが形成され、内周部にロータ側ロータリィトランスが形成されていること、ステータ平板の外周部に、つづら折り状の検出コイルが形成され、内周部にステータ側ロータリィトランスが形成されていること、励磁コイルのつづら折りパターンが、欠歯部を有すること、検出コイルの一部に切欠き部を形成し、切欠き部に基準信号検出コイルを設ていること、ステータ側ロータリィトランス及びロータ側ロータリィトランスを介して、励磁コイルに高周波信号を励磁する高周波励磁回路を有すること、を特徴とするので、励磁コイルや検出コイルの内側に指標パターン等を設けなくても、基準位置（Ｚ相信号）を検出することができるため、回転位置センサ全体を小型化することができる。
ここで、例えば、全周に渡って、つづら折りパターンが４５周期分のコイルを有する場合、１、２個分を欠歯させて欠歯部を設けたときに、通常の回転位置センサとしての機能は、わずかに誘起電流の発生が低下するのみであり、ほとんど影響を受けることがない。
検出コイルについても、１、２個分を欠歯させて切欠き部を形成しても、通常の回転位置センサとしての機能は、わずかに誘起電流の発生が低下するのみであり、ほとんど影響を受けることがない。 The rotational position sensor having the above-described configuration has an operation and an effect as follows.
(1) In an electromagnetic induction type rotational position sensor in which a rotor flat plate and a stator flat plate are provided to face each other and detect a rotational movement displacement of the rotor flat plate, a folded exciting coil is formed on the outer peripheral portion of the rotor flat plate, A rotor-side rotary transformer is formed on the outer periphery of the stator plate, a zigzag detection coil is formed on the outer periphery of the stator plate, a stator-side rotary transformer is formed on the inner periphery, and the excitation coil is folded The pattern has a missing tooth part, a notch part is formed in a part of the detection coil, a reference signal detection coil is provided in the notch part, via the stator side rotary transformer and the rotor side rotary transformer. The excitation coil has a high-frequency excitation circuit that excites a high-frequency signal. Without providing a chromatography emissions, etc., it is possible to detect the reference position (Z-phase signal), it is possible to miniaturize the entire rotational position sensor.
Here, for example, when the zigzag folding pattern has 45 cycles of coils over the entire circumference, the function as a normal rotational position sensor is provided when one or two teeth are missing and a missing tooth portion is provided. Only slightly reduces the generation of the induced current and is hardly affected.
Even for the detection coil, even if one or two parts are cut out to form a notch, the function as a normal rotational position sensor is only slightly reduced in the generation of the induced current, and has almost no effect. I do not receive it.

（２）（１）に記載する回転位置センサにおいて、前記欠歯部は、前記つづら折りパターンの１周期分であること、前記基準信号検出コイルが、前記つづら折りパターンの半周期分であること、を特徴とする。例えば、全周に渡って、つづら折りパターンが４５周期分のコイルを有する場合、欠歯部が１周期分であれば、通常の回転位置センサとしての機能は、わずかに誘起電流の発生が低下するのみであり、ほとんど影響を受けることがない。同時に、基準信号検出コイルが、丁度半周期分なので、信号処理が容易である。すなわち、半周期より大きいか、または小さいと、複数のコンパレータで処理する等の複雑な信号処理を必要とすることになる。 (2) In the rotational position sensor described in (1), the missing tooth portion is for one cycle of the zigzag folding pattern, and the reference signal detection coil is for a half cycle of the zigzag folding pattern. Features. For example, when the zigzag folding pattern has 45 cycles of coils over the entire circumference, if the missing tooth portion is 1 cycle, the function as a normal rotational position sensor slightly reduces the generation of induced current. Only and hardly affected. At the same time, since the reference signal detection coil is just half a cycle, signal processing is easy. That is, if it is larger or smaller than a half cycle, complicated signal processing such as processing by a plurality of comparators is required.

（３）（１）または（２）に記載する回転位置センサにおいて、前記基準信号検出コイルが、渦巻き状パターンを有していること、を特徴とするので、基準信号検出コイルが半周期分の面積しかなくても、大きな検出出力を得ることができる。
（４）（１）乃至（３）に記載する回転位置センサのいずれか１つにおいて、前記高周波信号が、５００ｋＨｚ以上であること、を特徴とするので、高周波信号を利用することにより、検出コイルの巻線数を少なくすることができ、ロータ平板やステータ平板上につづら折りパターンを形成することで、導線を巻きつけることなく、励磁コイルや検出コイルを形成することができる。これにより、回転位置センサを小型化することができる。 (3) The rotational position sensor described in (1) or (2) is characterized in that the reference signal detection coil has a spiral pattern. Even if there is only an area, a large detection output can be obtained.
(4) In any one of the rotational position sensors described in (1) to (3), the high-frequency signal is 500 kHz or more. By using the high-frequency signal, the detection coil The number of windings can be reduced, and an exciting coil and a detection coil can be formed without winding a conducting wire by forming a spiral pattern on the rotor flat plate or the stator flat plate. Thereby, a rotation position sensor can be reduced in size.

第１実施形態に係り、ロータリィエンコーダ１の外観を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram illustrating an external appearance of a rotary encoder 1 according to a first embodiment. ロータ平板１３上の励磁コイル１４、ロータ側ロータリィトランス７の形状、配置を示す図である。It is a figure which shows the shape and arrangement | positioning of the exciting coil 14 on the rotor flat plate 13, and the rotor side rotary transformer 7. FIG. ステータ平板１１上の検出コイル１２、ステータ側ロータリィトランス８の形状、配置を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the shape and arrangement of a detection coil 12 and a stator-side rotary transformer 8 on a stator flat plate 11. ロータリィエンコーダ１の制御的構成を示すブロック図である。3 is a block diagram showing a control configuration of the rotary encoder 1. FIG. 検出コイル１２の検出信号の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the detection signal of the detection coil. 基準信号検出コイル１９の検出信号の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the detection signal of the reference signal detection coil.

以下、この発明の回転位置センサを「電磁誘導式ロータリィエンコーダ」に具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
図１に、この実施形態のロータリィエンコーダ１を概略構成図により示す。このロータリィエンコーダ１は、一例として、エンジン２のクランクシャフト３に対応して設けられ、本発発明の可動体に相当するクランクシャフト３の動作位置（回転角）を検出するために使用される。
ロータリィエンコーダ１は、表面に検出コイル１２等が形成され、ハウジング５に固定されているステータ平板１１と、ステータ平板１１に対向してクランクシャフト３に固定され、クランクシャフト３と共に回転する、表面に励磁コイル１４等が形成されたロータ平板１３と、励磁コイル１４に励磁信号を出力すると共に、検出コイル１２から出力される検出信号を処理するためのコントローラ２０とを備える。
ステータ平板１１とロータ平板１３とは、互いにほぼ同じ大きさの円板形状をなし、所定の間隔で対向している。ロータ平板１３には、励磁コイル１４等が形成されているのと反対の面の中心に、入力軸１５が一体に設けられ、この入力軸１５がハウジング５から突出して設けられる。入力軸１５が、カップリング１６を介してクランクシャフト３に一体回転可能に固定されている。 Hereinafter, a first embodiment in which the rotational position sensor of the present invention is embodied as an “electromagnetic induction type rotary encoder” will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a rotary encoder 1 of this embodiment. As an example, the rotary encoder 1 is provided corresponding to the crankshaft 3 of the engine 2 and is used to detect the operating position (rotation angle) of the crankshaft 3 corresponding to the movable body of the present invention. .
The rotary encoder 1 has a detection coil 12 and the like formed on the surface thereof, a stator flat plate 11 fixed to the housing 5, a stator plate 11 facing the stator flat plate 11, fixed to the crankshaft 3, and rotating together with the crankshaft 3. And a controller 20 for processing the detection signal output from the detection coil 12 while outputting an excitation signal to the excitation coil 14.
The stator flat plate 11 and the rotor flat plate 13 have a disk shape having substantially the same size, and are opposed to each other at a predetermined interval. An input shaft 15 is integrally provided on the rotor flat plate 13 at the center of the surface opposite to that on which the exciting coil 14 and the like are formed, and the input shaft 15 is provided so as to protrude from the housing 5. An input shaft 15 is fixed to the crankshaft 3 through a coupling 16 so as to be integrally rotatable.

図２に、ロータ平板１３の一側面である平面に形成された励磁コイル１４、ロータ側ロータリィトランス７を示す。励磁コイル１４は、ロータ平板１３の一側面の外周縁に沿って円環状に設けられる。励磁コイル１４は、矩形に折れ曲がる「つづら折り形状のコイルパターン」により形成される。この実施形態で、「つづら折り形状のコイルパターン」は、図２に示すように、ロータ平板１３の外側へ向いた、例えば「４４個」の矩形部６ａ（鎖線楕円の中に示す。）と、隣り合う矩形部６ａの間をつなぐ連結部６ｂとを含む。そして、図２に示すように、隣り合う１つの矩形部６ａと１つの連結部６ｂとにより１つ分の折れ曲がりパターン６が構成される。
ここで、折れ曲がりパターン６（矩形部６ａ）は、本来ならば４５個で構成されるのであるが、本実施の形態では１箇所、欠歯部１７が設けられているため、折れ曲がりパターン６（矩形部６ａ）が４４個となり、連結部６ｂが３個分連続された欠歯連結部１７ａが形成されている。 FIG. 2 shows the exciting coil 14 and the rotor-side rotary transformer 7 formed on a plane which is one side surface of the rotor flat plate 13. The exciting coil 14 is provided in an annular shape along the outer peripheral edge of one side surface of the rotor flat plate 13. The exciting coil 14 is formed by a “zigzag folded coil pattern” that is bent into a rectangular shape. In this embodiment, the “zigzag folded coil pattern” has, for example, “44” rectangular portions 6a (shown in a chain line ellipse) facing outward from the rotor flat plate 13, as shown in FIG. And a connecting portion 6b connecting between adjacent rectangular portions 6a. And as shown in FIG. 2, the bending pattern 6 for one is comprised by the one adjacent rectangular part 6a and the one connection part 6b.
Here, the bent pattern 6 (rectangular portion 6a) is originally composed of 45 pieces, but in the present embodiment, since the missing tooth portion 17 is provided at one place, the bent pattern 6 (rectangular portion 6) is formed. The number of parts 6a) is 44, and a missing tooth connecting part 17a in which three connecting parts 6b are continuous is formed.

本実施の形態のつづら折り形状のコイルパターンは、欠歯部１７が設けられている点を除けば、本来の４５個で構成される「つづら折り形状のコイルパターン」と同じ形状をしている。すなわち、折れ曲がりパターン６が配置されているピッチは、機械角では円周方向に、３６０度／４５＝８度分のピッチである言い換えると、折れ曲がりパターン６の幅は、機械角で８度分の幅である。
励磁コイル１４の一端１４ｂは、中央部に５周の渦巻状に形成されたロータ側ロータリィトランス７の一端７ａに接続している。ロータリィトランス７の他端７ｂは、ロータ平板１３の裏面において、励磁コイル１４の他端１４ａに接続されている。すなわち、ロータ側ロータリィトランス７と励磁コイル１４とは、連続するコイルとして一体に形成されている。
本実施の形態では、コイルパターンは、幅が０．３ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍの銅製である。製造方法としては、エッチングで製造しているが、プレス打ち抜き等により製造してもよい。その場合には、厚みを適宜増加させても良い。 The zigzag folded coil pattern of the present embodiment has the same shape as the original “zigzag folded coil pattern” composed of 45 pieces, except that the missing tooth portion 17 is provided. That is, the pitch at which the bent pattern 6 is arranged is 360 ° / 45 = 8 ° in the circumferential direction in the mechanical angle. In other words, the width of the bent pattern 6 is 8 ° in the mechanical angle. Width.
One end 14b of the exciting coil 14 is connected to one end 7a of the rotor-side rotary transformer 7 formed in a spiral shape with five rounds in the center. The other end 7 b of the rotary transformer 7 is connected to the other end 14 a of the exciting coil 14 on the back surface of the rotor flat plate 13. That is, the rotor-side rotary transformer 7 and the exciting coil 14 are integrally formed as a continuous coil.
In the present embodiment, the coil pattern is made of copper having a width of 0.3 mm and a thickness of 0.03 mm. As a manufacturing method, it is manufactured by etching, but may be manufactured by press punching or the like. In that case, the thickness may be appropriately increased.

図３に、ステータ平板１１の一表面に形成された、検出コイル１２、及びステータ側ロータリィトランス８を示す。
検出コイル１２は、ステータ平板１１の一側面の外周縁に沿って円環状に設けられる。検出コイル１２は、矩形に折れ曲がる「つづら折り形状のコイルパターン」により形成される。この実施形態で、「つづら折り形状のコイルパターン」は、図３に示すように、ステータ平板１１の外側へ向いた、例えば「４３個」の矩形部９ａ（鎖線楕円の中に示す。）と、隣り合う矩形部９ａの間をつなぐ連結部９ｂとを含む。そして、図３に示すように、隣り合う１つの矩形部９ａと１つの連結部９ｂとにより１つ分の折れ曲がりパターン９が構成される。
検出コイル１２の形状、寸法、ピッチは、励磁コイル１４と基本的に同じであり、１つ分の折れ曲がりパターン９は、機械角では円周方向に、８度分の位置を占めている。
検出コイル１２の一端は、外部端子１２ａに接続し、他端は、外部端子１２ｂに接続している。 FIG. 3 shows the detection coil 12 and the stator-side rotary transformer 8 formed on one surface of the stator flat plate 11.
The detection coil 12 is provided in an annular shape along the outer peripheral edge of one side surface of the stator flat plate 11. The detection coil 12 is formed of a “zigzag folded coil pattern” that is bent into a rectangular shape. In this embodiment, the “zigzag folded coil pattern” has, for example, “43” rectangular portions 9a (shown in a chain line ellipse) facing outward from the stator flat plate 11, as shown in FIG. And a connecting portion 9b connecting the adjacent rectangular portions 9a. And as shown in FIG. 3, the bending pattern 9 for one is comprised by the one rectangular part 9a and the one connection part 9b which adjoin.
The shape, size, and pitch of the detection coil 12 are basically the same as those of the excitation coil 14, and one bending pattern 9 occupies a position of 8 degrees in the circumferential direction at the mechanical angle.
One end of the detection coil 12 is connected to the external terminal 12a, and the other end is connected to the external terminal 12b.

本来、４５個で構成される「つづら折り形状のパターン」の数を４３個と２個減らしているのは、減らした部分に基準信号検出コイル１９を設けるためである。基準信号検出コイル１９は、渦巻き状パターンであり、２巻きされている。基準信号検出コイル１９の外周に位置する一端は、外部端子１８ａに接続している。また、内周に位置する他端は、裏面を介して端子１９ａに接続され、外部端子１８ｂに接続されている。基準信号検出コイル１９の外周寸法は、１つの「つづら折り形状パターン」の矩形部９ａと同じ寸法である。
中央部には、ロータ平板１３に形成されたロータ側ロータリィトランス７に対向して、５周の渦巻状にステータ側ロータリィトランス８が形成されている。ステータ側ロータリィトランス８の一端８ａは、外部端子１１に接続しており、他端８ｂは、裏面を介して端子１０ａに接続している。端子１０ａは、外部端子１０に接続している。 The reason why the number of the “patterns of zigzag folded shape” composed of 45 is reduced to 2 by 43 is to provide the reference signal detection coil 19 in the reduced portion. The reference signal detection coil 19 has a spiral pattern and is wound twice. One end located on the outer periphery of the reference signal detection coil 19 is connected to the external terminal 18a. The other end located on the inner periphery is connected to the terminal 19a through the back surface and is connected to the external terminal 18b. The outer circumference of the reference signal detection coil 19 is the same as that of the rectangular portion 9a of one “zigzag folded pattern”.
A stator-side rotary transformer 8 is formed in a spiral shape with five rounds at the center so as to face the rotor-side rotary transformer 7 formed on the rotor flat plate 13. One end 8a of the stator-side rotary transformer 8 is connected to the external terminal 11, and the other end 8b is connected to the terminal 10a via the back surface. The terminal 10 a is connected to the external terminal 10.

図４に、ロータリィエンコーダ１の電気制御的構成をブロック図により示す。コントローラ２０は、励磁回路２１、高周波発生回路２２、２個の差動アンプ２３Ａ、２３Ｂ、２個のアンプ２４Ａ、２４Ｂ、２個の同期検波回路２５Ａ、２５Ｂ、２個のローパスフィルタ２６Ａ、２６Ｂ、及び２個のコンパレータ２７Ａ、２７Ｂを備える。
励磁回路２１は、励磁コイル１４を高周波信号で励磁するようになっている。高周波発生回路２２は、励磁回路２１に高周波信号を供給するようになっている。この高周波信号として、本実施の形態では、「２ＭＨｚ」の周波数を用いている。５００ｋＨｚ以上の高周波信号で励磁することにより、つづら折り形状のコイルパターンのように巻線数の少ない検出回路でも、十分な誘起電圧を確保することができる。すなわち、高周波信号の各周期において発生する誘起電圧（電流）は小さいが、高い周波数により、それらが総計されるため、結果として、十分な誘起電圧を得ることができる。本出願人が実験により確認したところ、５００ｋＨｚ以上の高周波信号を用いると、周辺ノイズに対して十分なＳ／Ｎ比を得ることができた実用に適した誘起電圧を得ることができる。
検出コイル１２には、差動アンプ２３Ａ、アンプ２４Ａを介して、同期検波回路２５Ａが接続している。基準信号検出コイル１９には、差動アンプ２３Ｂ、アンプ２４Ｂを介して、同期検波回路２５Ｂが接続している。同期検波回路２５Ａ、２５Ｂには、高周波発生器２２から２ＭＨｚの高周波信号が入力されている。 FIG. 4 is a block diagram showing the electrical control configuration of the rotary encoder 1. The controller 20 includes an excitation circuit 21, a high frequency generation circuit 22, two differential amplifiers 23A and 23B, two amplifiers 24A and 24B, two synchronous detection circuits 25A and 25B, two low-pass filters 26A and 26B, And two comparators 27A and 27B.
The excitation circuit 21 excites the excitation coil 14 with a high frequency signal. The high frequency generation circuit 22 supplies a high frequency signal to the excitation circuit 21. In the present embodiment, a frequency of “2 MHz” is used as the high frequency signal. By exciting with a high-frequency signal of 500 kHz or more, a sufficient induced voltage can be secured even in a detection circuit with a small number of windings, such as a zigzag coil pattern. That is, although the induced voltage (current) generated in each cycle of the high-frequency signal is small, they are summed up at a high frequency, and as a result, a sufficient induced voltage can be obtained. As a result of experiments conducted by the present applicant, when a high-frequency signal of 500 kHz or higher is used, an induced voltage suitable for practical use that can obtain a sufficient S / N ratio against ambient noise can be obtained.
A synchronous detection circuit 25A is connected to the detection coil 12 via a differential amplifier 23A and an amplifier 24A. A synchronous detection circuit 25B is connected to the reference signal detection coil 19 via a differential amplifier 23B and an amplifier 24B. A high frequency signal of 2 MHz is input from the high frequency generator 22 to the synchronous detection circuits 25A and 25B.

次に、上記構成を有するコントローラ２０の作用について説明する。
高周波発生器２２は、２ＭＨｚの高周波信号を励磁回路２１に入力する。励磁回路２１は、ステータ側ロータリィトランス８に２ＭＨｚの励磁信号を供給する。ステータ側ロータリィトランス８は、２ＭＨｚの高周波信号により交番磁界を発生し、発生した交番磁界により、ロータ側ロータリィトランス７に、２ＭＨｚの誘起電圧が発生する。ロータ側ロータリィトランス７に発生した誘起電圧は、励磁コイル１４に流れ、励磁コイル１４のコイルパターンの周囲に、２ＭＨｚの交番磁界を発生させる。同時に、全周のうち、欠歯部１７においては、発生する交番磁界の分布が他の部分と異なっている。
励磁コイル１４で発生した交番磁界により、検出コイル１２に２ＭＨｚの誘起電圧が発生する。 Next, the operation of the controller 20 having the above configuration will be described.
The high frequency generator 22 inputs a 2 MHz high frequency signal to the excitation circuit 21. The excitation circuit 21 supplies a 2 MHz excitation signal to the stator-side rotary transformer 8. The stator-side rotary transformer 8 generates an alternating magnetic field by a high-frequency signal of 2 MHz, and an induced voltage of 2 MHz is generated in the rotor-side rotary transformer 7 by the generated alternating magnetic field. The induced voltage generated in the rotor-side rotary transformer 7 flows into the exciting coil 14 and generates a 2 MHz alternating magnetic field around the coil pattern of the exciting coil 14. At the same time, in the missing tooth portion 17 of the entire circumference, the distribution of the alternating magnetic field generated is different from the other portions.
Due to the alternating magnetic field generated in the excitation coil 14, an induced voltage of 2 MHz is generated in the detection coil 12.

図５に、角度信号の、各制御手段における出力信号の波形を示す。
検出コイル１２で発生した誘起電圧は、差動アンプ２３Ａに送られる。差動アンプ２３Ａの出力信号を図５にＳ１で示す。検出コイル１２の矩形部６ａ毎に、上下に大きな振幅を有する振幅波形が出力されている。この振幅波形の周波数は、ロータ平板１３の回転数に比例している。アンプ２４Ａの出力Ｓ２は、差動アンプ２３Ａの出力Ｓ１を単純に増幅したものである。
同期検波回路２５Ａの出力Ｓ３は、基準搬送波である高周波信号（２ＭＨｚ）に基づく所定の周期で、出力波形Ｓ２を読み取ったものである。所定の周期でＳ２の波形を読み取ると、Ｓ３に示すように、正弦波状の波形となる。
次に、ローパスフィルタ２６Ａを通すことにより、出力Ｓ４は、高周波成分である搬送波成分が除かれる。
次に、コンパレータ２７Ａにより、パルス状の信号Ｓ５に変換される。 FIG. 5 shows the waveform of the output signal of each control means of the angle signal.
The induced voltage generated in the detection coil 12 is sent to the differential amplifier 23A. The output signal of the differential amplifier 23A is indicated by S1 in FIG. For each rectangular portion 6a of the detection coil 12, an amplitude waveform having a large amplitude in the vertical direction is output. The frequency of the amplitude waveform is proportional to the rotational speed of the rotor flat plate 13. The output S2 of the amplifier 24A is a simple amplification of the output S1 of the differential amplifier 23A.
The output S3 of the synchronous detection circuit 25A is obtained by reading the output waveform S2 at a predetermined cycle based on a high frequency signal (2 MHz) that is a reference carrier wave. When the waveform of S2 is read at a predetermined cycle, a sine waveform is obtained as shown in S3.
Next, by passing through the low-pass filter 26A, the output S4 removes a carrier wave component which is a high frequency component.
Next, it is converted into a pulsed signal S5 by the comparator 27A.

次に、基準位置（Ｚ相信号）を示すＺ信号の、各制御手段における出力信号の波形を、図６に示す。
検出コイル１９で発生した誘起電圧は、差動アンプ２３Ｂに送られる。差動アンプ２３Ｂの出力信号を図６にＳ１１で示す。検出コイル１９の矩形部６ａ毎に、上下に大きな振幅を有する振幅波形が出力されている。この振幅波形の周波数は、ロータ平板１３の回転数に比例している。ここで、欠歯部１７を検出したときの出力波形をＳ１１ａに示す。Ｓ１１ａに示すように、欠歯部１７の出力波形は、時間軸として長い信号として現れる。
アンプ２４Ｂの出力Ｓ１２は、差動アンプ２３Ｂの出力Ｓ１１を単純に増幅したものである。欠歯部１７の出力波形も、単純に増幅されたものである。
同期検波回路２５Ｂの出力Ｓ１３は、基準搬送波である高周波信号（２ＭＨｚ）に基づく所定の周期で、出力波形Ｓ１２を読み取ったものである。所定の周期でＳ１２の波形を読み取ると、Ｓ１３に示すように、正弦波状の波形となる。
欠歯部１７の出力波形Ｓ１３ａは、時間軸として長い信号として現れている。
次に、ローパスフィルタ２６Ｂを通すことにより、出力Ｓ１４は、高周波成分である搬送波成分が除かれる。
次に、コンパレータ２７Ｂにより、パルス状の信号Ｓ１５に変換される。欠歯部１４の出力波形Ｓ１５ａは、パルスが１つ欠けた状態の信号となる。
このパルスが１つ欠けた信号を検知することにより、基準位置を検知することができる。 Next, FIG. 6 shows the waveform of the output signal of each control means of the Z signal indicating the reference position (Z-phase signal).
The induced voltage generated in the detection coil 19 is sent to the differential amplifier 23B. The output signal of the differential amplifier 23B is indicated by S11 in FIG. For each rectangular portion 6a of the detection coil 19, an amplitude waveform having a large amplitude in the vertical direction is output. The frequency of the amplitude waveform is proportional to the rotational speed of the rotor flat plate 13. Here, an output waveform when the missing tooth portion 17 is detected is shown in S11a. As shown in S11a, the output waveform of the missing tooth portion 17 appears as a long signal on the time axis.
The output S12 of the amplifier 24B is obtained by simply amplifying the output S11 of the differential amplifier 23B. The output waveform of the missing tooth portion 17 is also simply amplified.
The output S13 of the synchronous detection circuit 25B is obtained by reading the output waveform S12 at a predetermined cycle based on a high frequency signal (2 MHz) that is a reference carrier wave. When the waveform of S12 is read at a predetermined cycle, a sine waveform is obtained as shown in S13.
The output waveform S13a of the missing tooth portion 17 appears as a long signal on the time axis.
Next, by passing the low pass filter 26B, the output S14 removes the carrier wave component which is a high frequency component.
Next, it is converted into a pulsed signal S15 by the comparator 27B. The output waveform S15a of the missing tooth portion 14 is a signal with one missing pulse.
By detecting a signal lacking one pulse, the reference position can be detected.

次に、上記構成を有する本実施の形態のロータリィエンコーダ１の作用について説明する。ロータリィエンコーダ１では、クランクシャフト３が回転することで、ロータ平板１３がクランクシャフト３と共に回転し、励磁コイル１４がステータ平板１１の検出コイル１２と隙間６を介して対向しながら回転する。
このとき、高周波発生回路２２及び励磁回路２１により、ステータ側ロータリィトランス８、及びロータ側ロータリィトランス７を介して、励磁コイル１４が一定振幅の高周波（２ＭＨｚ）で励磁される。これにより、励磁コイル１４に周期的に磁力線が発生し、励磁コイル１４に対向して設けられた検出コイル１２に誘起電圧が発生する。
発生した誘起電圧が振幅を変化させる検出信号として検出コイル１２から出力される。そして、この検出信号が、差動アンプ２３Ａ、アンプ２４Ａ、及び同期検波器２５Ａにより増幅され、復調されることにより、クランクシャフト３の回転角の変化（回転位相の変化）を反映した低周波の復調信号Ｓ３が得られる。この復調信号Ｓ３が、コンパレータ２７Ａにてパルス状信号に整形される。 Next, the operation of the rotary encoder 1 of the present embodiment having the above configuration will be described. In the rotary encoder 1, when the crankshaft 3 rotates, the rotor flat plate 13 rotates together with the crankshaft 3, and the excitation coil 14 rotates while facing the detection coil 12 of the stator flat plate 11 via the gap 6.
At this time, the excitation coil 14 is excited at a high frequency (2 MHz) with a constant amplitude by the high frequency generation circuit 22 and the excitation circuit 21 through the stator side rotary transformer 8 and the rotor side rotary transformer 7. Thereby, lines of magnetic force are periodically generated in the excitation coil 14, and an induced voltage is generated in the detection coil 12 provided to face the excitation coil 14.
The generated induced voltage is output from the detection coil 12 as a detection signal for changing the amplitude. Then, the detection signal is amplified and demodulated by the differential amplifier 23A, the amplifier 24A, and the synchronous detector 25A, so that the low-frequency signal reflecting the change in the rotation angle of the crankshaft 3 (change in the rotation phase) is reflected. Demodulated signal S3 is obtained. The demodulated signal S3 is shaped into a pulse signal by the comparator 27A.

一方、基準信号検出コイルにおいては、通常は、励磁コイル１４の４３個のつづら折り形状パターンにより発生する磁束を受けているため、基準信号検出コイル１９は、図６に示すＳ１１の誘起電圧による検出信号を出している。そして、欠歯部１７の位置が、基準信号検出コイル１９の位置と一致したときには、図６に示すＳ１１ａの検出信号が出される。すなわち、欠歯部１７は、発生する磁束の分布が他の部分と異なっているため、基準信号検出コイル１９が検出する誘起電圧の変動が他の部分と異なるからである。
この検出信号Ｓ１１ａが、アンプ２４Ｂ、及び同期検波器２５Ｂにより増幅され、復調されることにより、クランクシャフト３の回転角の所定の位置を示す復調信号Ｓ１４ａが得られる。この復調信号Ｓ１４ａが、コンパレータ２７Ｂにてパルス状信号に整形される。この場合、Ｓ１５ａの領域には、パルス信号Ｓ１５が存在しないことにより、ロータ平板１３の欠歯部１７の位置が、ステータ平板１１の基準信号検出コイル１９の位置と一致していることがわかる。これにより原点を検出することができ、原点検出信号であるＺ信号Ｓ１５ａを出力する。 On the other hand, since the reference signal detection coil normally receives a magnetic flux generated by the 43 zigzag pattern of the exciting coil 14, the reference signal detection coil 19 detects the detection signal based on the induced voltage of S11 shown in FIG. Is out. Then, when the position of the missing tooth portion 17 coincides with the position of the reference signal detection coil 19, the detection signal of S11a shown in FIG. 6 is output. That is, in the missing tooth portion 17, the distribution of the generated magnetic flux is different from that of other portions, and therefore the variation in the induced voltage detected by the reference signal detection coil 19 is different from that of the other portions.
The detection signal S11a is amplified and demodulated by the amplifier 24B and the synchronous detector 25B, whereby a demodulated signal S14a indicating a predetermined position of the rotation angle of the crankshaft 3 is obtained. The demodulated signal S14a is shaped into a pulse signal by the comparator 27B. In this case, since the pulse signal S15 does not exist in the region of S15a, it can be seen that the position of the missing tooth portion 17 of the rotor flat plate 13 coincides with the position of the reference signal detection coil 19 of the stator flat plate 11. As a result, the origin can be detected, and the origin signal Z signal S15a is output.

以上詳細に説明したように、本実施の形態のロータリィエンコーダ１によれば、ロータ平板１３とステータ平板１１が対向して設けられ、ロータ平板１３の回転動作変位を検出する電磁誘導式のロータリィエンコーダ１において、ロータ平板１３の外周部につづら折り状の励磁コイル１４が形成され、内周部にロータ側ロータリィトランス７が形成されていること、ステータ平板１１の外周部に、つづら折り状の検出コイル１２が形成され、内周部にステータ側ロータリィトランス８が形成されていること、励磁コイル１４のつづら折りパターンが、欠歯部１７を有すること、検出コイル１２の両端子間に、基準信号検出コイル１９が設けられていること、ステータ側ロータリィトランス７及びロータ側ロータリィトランス８を介して、励磁コイル１４に高周波信号を励磁する高周波励磁回路２２、２１を有すること、を特徴とするので、励磁コイル１４や検出コイル１２の内側に指標パターン等を設けなくても、基準位置（Ｚ相信号Ｓ１５ａ）を検出することができるため、ロータリィエンコーダ１全体を小型化することができる。
ここで、例えば、全周に渡って、つづら折りパターンが４５周期分のコイルを有する場合、１個分を欠歯させて欠歯部１７を設けたときに、通常のロータリィエンコーダ１としての機能は、わずかに誘起電流の発生が低下するのみであり、ほとんど影響を受けることがない。 As described above in detail, according to the rotary encoder 1 of the present embodiment, the rotor flat plate 13 and the stator flat plate 11 are provided facing each other, and the electromagnetic induction type rotary that detects the rotational movement displacement of the rotor flat plate 13 is provided. In the encoder 1, a zigzag exciting coil 14 is formed on the outer peripheral portion of the rotor flat plate 13, the rotor-side rotary transformer 7 is formed on the inner peripheral portion, and a zigzag folded shape is formed on the outer peripheral portion of the stator flat plate 11. The detection coil 12 is formed, the stator-side rotary transformer 8 is formed on the inner peripheral portion, the zigzag folding pattern of the exciting coil 14 has a missing tooth portion 17, and the reference coil is connected between both terminals of the detection coil 12. Excitation via the signal detection coil 19 and the stator-side rotary transformer 7 and the rotor-side rotary transformer 8 Since the high frequency excitation circuits 22 and 21 for exciting the high frequency signal to the coil 14 are provided, the reference position (Z-phase signal S15a can be obtained without providing an index pattern or the like inside the excitation coil 14 or the detection coil 12. ) Can be detected, the entire rotary encoder 1 can be reduced in size.
Here, for example, when the zigzag folding pattern has 45 cycles of coils over the entire circumference, when the missing tooth portion 17 is provided by missing one tooth, the function as a normal rotary encoder 1 is achieved. Only slightly reduces the generation of the induced current and is hardly affected.

また、欠歯部１７は、つづら折りパターンの１周期分であること、基準信号検出コイル１９が、つづら折りパターン９の半周期分であること、を特徴とする。例えば、全周に渡って、つづら折りパターン９が４５周期分のコイルを有する場合、欠歯部１７が１周期分であれば、通常のロータリィエンコーダ１としての機能は、わずかに誘起電流の発生が低下するのみであり、ほとんど影響を受けることがない。同時に、基準信号検出コイル１９が、丁度半周期分なので、信号処理が容易である。
すなわち、半周期より大きいか、または小さいと、基準信号検出コイル１９が検出した信号を、複数のコンパレータで処理する等の複雑な信号処理を必要とするからである。 Further, the missing tooth portion 17 is one cycle of the zigzag folding pattern, and the reference signal detection coil 19 is half a cycle of the zigzag folding pattern 9. For example, when the zigzag folding pattern 9 has 45 cycles of coils over the entire circumference, if the missing tooth portion 17 is for one cycle, the function as a normal rotary encoder 1 is to generate an induced current slightly. Is only reduced, and is hardly affected. At the same time, since the reference signal detection coil 19 is exactly half a cycle, signal processing is easy.
That is, if it is larger or smaller than a half cycle, complicated signal processing such as processing of the signal detected by the reference signal detection coil 19 with a plurality of comparators is required.

また、基準信号検出コイル１９が、渦巻き状パターンを有していること、を特徴とするので、基準信号検出コイル１９が半周期分の面積しかなくても、大きな検出出力を得ることができる。
また、高周波信号が、５００ｋＨｚ以上であること、を特徴とするので、高周波信号を利用することにより、検出コイル１２の巻線数を少なくすることができ、ロータ平板１３やステータ平板１１上につづら折りパターン９、６を形成することで、導線を巻きつけることなく、励磁コイル１４や検出コイル１２を形成することができる。これにより、ロータリィエンコーダ１を小型化することができる。 Further, since the reference signal detection coil 19 has a spiral pattern, a large detection output can be obtained even if the reference signal detection coil 19 has an area corresponding to a half cycle.
Further, since the high-frequency signal is 500 kHz or more, the number of windings of the detection coil 12 can be reduced by using the high-frequency signal, and the high-frequency signal can be folded on the rotor flat plate 13 or the stator flat plate 11. By forming the patterns 9 and 6, the exciting coil 14 and the detection coil 12 can be formed without winding a conducting wire. Thereby, the rotary encoder 1 can be reduced in size.

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
本実施の形態では、高周波信号として、２ＭＨｚの高周波を用いているが、５００ｋＨｚ以上の高周波であれば良い。
本実施の形態では、エンジンのクランクシャフトの回転角度を計測するロータリィエンコーダについて説明したが、計測する対象物は、クランクシャフトに限らず、計測可能である。
本実施の形態では、基準信号検出コイル１９を、検出コイル１２の端子間に空間（切欠き部）を形成し、その箇所に設けているが、検出コイル１２の端子間でなくて、検出コイルの中間に切欠き部を形成して、その箇所に基準信号検出コイル１９を形成しても良い。
本実施の形態では、基準信号検出コイル１９として、大きな検出出力を得るため、複数巻きの渦巻き状パターンのコイルを用いたが、十分な検出出力が得られるならば、巻き数１のループ形状やコの字型のコイルを用いても良い。 In addition, this invention is not limited to each said embodiment, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can also implement as follows.
In this embodiment, a high frequency of 2 MHz is used as the high frequency signal, but a high frequency of 500 kHz or higher is sufficient.
In the present embodiment, the rotary encoder that measures the rotation angle of the crankshaft of the engine has been described, but the object to be measured is not limited to the crankshaft and can be measured.
In the present embodiment, the reference signal detection coil 19 is provided with a space (notch portion) between the terminals of the detection coil 12 and provided at that location, but not between the terminals of the detection coil 12. A notch portion may be formed in the middle of the reference signal detection coil 19 at that location.
In the present embodiment, a coil having a plurality of spiral patterns is used as the reference signal detection coil 19 in order to obtain a large detection output. However, if a sufficient detection output is obtained, A U-shaped coil may be used.

本発明は、電磁誘導式ロータリィエンコーダや電磁誘導式リニアエンコーダに利用することができる。 The present invention can be used for an electromagnetic induction rotary encoder and an electromagnetic induction linear encoder.

７ロータ側ロータリィトランス
８ステータ側ロータリィトランス
１１ステータ平板
１２検出コイル
１３ロータ平板
１４励磁コイル
１７欠歯部
１９基準信号検出コイル
２１励磁回路
２２高周波発生器 7 Rotor-side rotary transformer 8 Stator-side rotary transformer 11 Stator flat plate 12 Detection coil 13 Rotor flat plate 14 Excitation coil 17 Notch 19 Reference signal detection coil 21 Excitation circuit 22 High frequency generator

Claims

In an electromagnetic induction type rotational position sensor that is provided with a rotor flat plate and a stator flat plate facing each other and detects a rotational movement displacement of the rotor flat plate,
A spiral excitation coil is formed on the outer peripheral portion of the rotor flat plate, and a rotor-side rotary transformer is formed on the inner peripheral portion.
A zigzag detection coil is formed on the outer periphery of the stator flat plate, and a stator-side rotary transformer is formed on the inner periphery.
The zigzag folding pattern of the exciting coil has a toothless part;
Forming a notch in a part of the detection coil, and providing a reference signal detection coil in the notch,
A high-frequency excitation circuit for exciting a high-frequency signal to the excitation coil via the stator-side rotary transformer and the rotor-side rotary transformer;
A rotational position sensor.

The rotational position sensor according to claim 1,
The missing tooth portion is one cycle of the spell folding pattern,
The reference signal detection coil is a half cycle of the spelling pattern;
A rotational position sensor.

The rotational position sensor according to claim 1 or 2,
The reference signal detection coil has a spiral pattern;
A rotational position sensor.

In any one of the rotational position sensors according to claim 1 to claim 3,
The high-frequency signal is 500 kHz or more;
A rotational position sensor.